Представьте, что вам нужно пробросить песчинку через ушко иглы с расстояния 16 000 километров. Примерно тем же самым занимались ученые, отправив в 2004 году к комете Чурюмова-Герасименко межпланетную станцию «Розетта». В 2015 году станция и комета находились на расстоянии около 265,1 млн км от Земли. Однако надёжная связь позволила «Розетте» не только сесть на комету, но и получить ценнейшие научные данные.

Сегодня космическая связь — одно из самых сложных и перспективных направлений развития коммуникационных технологий. Орбитальные спутники уже дали нам GPS, ГЛОНАСС, глобальные точнейшие цифровые карты, интернет и голосовую связь в самых отдаленных районах Земли, но мы смотрим дальше. Как космическая связь работает сейчас и что нас ожидает в будущем?

Основой инфраструктуры наземных станций, используемых во время миссии «Розетты», стала компьютерная система Intermediate Frequency Modem System (IFMS), разработанная BAE Systems. Помимо расшифровывания 350 гигабайт данных, переданных станцией, система позволила точно рассчитать положение космического корабля, действуя как GPS для Солнечной системы.

Система IFMS принимала и передавала сигналы в течение всей 10-летней миссии и сопровождала станцию около 800 миллионов километров. IFMS позволяет измерять скорость с точностью до долей миллиметра в секунду, а положение космического аппарата с точностью в пределах метра в любой точке Солнечной системы.

Модули IFMS размещаются на наземных станциях Европейского космического агентства (ЕКА), модернизированных более 20 лет назад для более совершенного получения радиосигналов с космических аппаратов. Вместо аналоговой обработки — настройки на сигнал, фильтрации и демодуляции — новая (на тот момент) технология позволила преобразовывать необработанный сигнал в цифровую форму, из которой программное обеспечение извлекало необходимую информацию.

После преобразования большая часть последующей обработки сигнала выполняется с помощью ППВМ-микрочипов (программируемая пользователем вентильная матрица, field-programmable gate array, FPGA). Они состоят из логических блоков, которые могут быть подключены параллельно для выполнения вычислений. Это позволило разработать сложные алгоритмы для поддержания высокого уровня шумоподавления и стабильности сигналов из космоса.

На Марс и обратно

Наземная сеть антенн Deep Space Network (DSN)

В основном спутники обеспечивают радиосвязь как ретрансляторы, однако для связи с межпланетными космическими аппаратами требуется более продвинутая система, состоящая из больших антенн, сверхмощных передатчиков и сверхчувствительных приемников.

Канал передачи данных на Землю очень узкий — например, параболическая антенна DSS (Deep Space Stations) недалеко от Мадрида принимает данные на скорости 720 Кб/сек. Конечно, марсоход передает всего 500-3200 бит в секунду по прямому каналу, однако основной канал проходит через орбитальный спутник Марса — получается около 31 Мб данных в сутки от марсохода, плюс еще данные, полученные от измерительных датчиков самого спутника.

Связь на расстоянии 55 миллионов километров поддерживает международная сеть радиотелескопов и средств связи Deep Space Network. DSN является частью NASA. В России же для связи с далекими космическими аппаратами используют знаменитый Восточный центр дальней космической связи, расположенный неподалеку от Уссурийска.

На сегодняшний день DSN объединяет три наземные базы, расположенные на трех континентах — в США, Испании и Австралии. Станции удалены друг от друга примерно на 120 градусов долготы, что позволяет им частично перекрывать зоны действия друг друга.

Спутник Mars Odyssey — самый долго действующий космический аппарат из всех, когда-либо отправленных на Марс — обменивается данными с DSN с помощью антенны с высоким коэффициентом усиления на частоте 8406 МГц. Прием данных от марсоходов ведется на УВЧ-антенну.

«Роуминг» по Солнечной системе

DSS-63

Марс — далеко не единственное место во Вселенной, с которым нам нужно поддерживать связь. Например, межпланетные зонды отправлялись к Сатурну и Титану, а Вояджер-1 вообще улетел на 20 миллиардов километров от Земли.

Чем дальше от нас улетают межпланетные станции, тем сложнее уловить их радиосигналы. Мы пока не можем по всей Солнечной системе расставить орбитальные спутники, поэтому вынуждены строить огромные параболические антенны.

Возьмём, к примеру, Мадридский комплекс дальней космической связи. Главная параболическая антенна комплекса DSS-63 имеет зеркало диаметром более 70 метров и весом 3,5 тысячи тонн. Для отслеживания зондов антенна вращается на четырех шариковых подшипниках весом в одну тонну каждый.

Антенна не только принимает сигнал, но и передает. И хотя траектория движения и вращения Земли давно посчитана и пересчитана, найти маленький объект в космосе, чтобы точно направить на него огромную антенну, — задача очень сложная.

Для поиска отдаленных объектов используется радиотриангуляция. Две наземные станции сравнивают точный угол, под которым сигнал попадает на зеркало антенны в разные промежутки времени, и таким образом вычисляется расстояние до объекта и его местоположение.

Центры дальней космической связи

Разработка в 50-х гг. первой советской межконтинентальной баллистической ракеты (МБР) Р-7, оснащенной радиоуправлением, поставила перед ее создателями сложную задачу – необходимо было построить большую сеть измерительных станций, которые могли бы определять скорость и корректировать полет ракеты.

Для поддержки запусков первых спутников оборудование, первоначально созданное для испытаний баллистической ракеты, было модернизировано и размещено в научно-измерительных пунктах (НИП). С них осуществлялась передача команд на космические аппараты.

В стране построили десятки НИП. Часть измерительного оборудования разместили на специальных кораблях Военно-морского флота. Корабли участвовали в испытаниях всех типов советских МБР, искусственных спутников и автоматических межпланетных станций, обеспечивали все отработочные и штатные околоземные и лунные полёты советских космических кораблей.

После развала СССР корабли измерительного комплекса за редким исключением были уничтожены. Однако сохранились другие важные для космической связи объекты. По географическим причинам наиболее важные командно-измерительные пункты создали в Крыму (16-й НИП – Западный Центр дальней космической связи) и в Приморском крае (15-й НИП – Восточный Центр дальней космической связи известный как объект «Уссурийск»).

Западный Центр в Евпатории принимал и обрабатывал информацию с первой автоматической станции «Луна», поддерживал связь с межпланетными станциями серий «Венера», «Марс», «Эхо», управлял аппаратами во множестве других проектах.

Главный объект Центра – антенна АДУ-1000 с 8 параболическими зеркалами диаметром 16 метров.

Объект «Уссурийск» был создан в 1965 году в результате перевода Радиоэлектронной части военно-космических сил в районе села Галёнки, в 30 км к северо-западу от Уссурийска. В 1985 году здесь был построена одна из крупнейших в мире антенн – РТ-70 с диаметром зеркала 70 м (такая же антенна находится и в Крыму).

РТ-70 продолжает действовать и будет использоваться в самых перспективных разработках страны – в новой российской лунной программе, стартующей в 2019 году (проект «Луна-25»), и для единственного в мире проекта орбитальной рентгеновской астрономии на ближайшие 15 лет «Спектр-Рентген-Гамма».

Максимальные скорости

Работа устройства Deep Space Optical Communication.

Сейчас на земной орбите находится около 400 коммерческих спутников связи, но в ближайшем будущем их станет гораздо больше. Компания ViaSat объявила о совместном проекте с Boeing по запуску трех спутников нового поколения, пропускная способность которых будет более 1 Тбит/сек — это больше пропускной способности всех вместе взятых работающих спутников на 2017 год.

ViaSat планирует предоставлять доступ в интернет на скорости 100 Мбит/сек по всему миру на частоте 20 ГГц, используя фазированные антенные решетки, а также многопозиционные системы передачи данных.

Компания SpaceX планирует уже в 2019 году начать запускать на орбиту более 12 000 спутников связи (в 30 раз больше всех сегодня летающих!), которые будут работать на частотах 10,7-18 ГГц и 26,5-40 ГГц.

Как вы можете себе представить, нужно обеспечить управление всей орбитальной группировкой спутников таким образом, чтобы не допустить столкновений аппаратов. Кроме того, рассматриваются проекты создания каналов связи со всеми искусственными объектами Солнечной системы. Все эти требования вынуждают инженеров ускорить развертывание новых каналов.

Межпланетные телекоммуникации в радиочастотном спектре с 1960 года увеличились на восемь порядков в пропускной способности, однако нам по-прежнему не хватает скорости для передачи изображений и видео высокой четкости, не говоря уже о коммуникации с тысячами объектов одновременно. Один из перспективных способов решения проблемы — лазерная связь.

Впервые космическая лазерная связь была испытана российскими учеными на МКС 25 января 2013 г. В том же году на аппарате Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer испытывалась система двусторонней лазерной связи между Луной и Землей. Удалось достичь скорости передачи данных 622 Мбит/сек с аппарата на наземную станцию, и 20 Мбит/сек с наземной станции на аппарат, находившийся на расстоянии 385 000 км от Земли.

Проект Laser Communications (LASERCOM) в будущем сможет решить вопрос связи в околоземном пространстве, Солнечной системе и, возможно, в межзвездных миссиях.

Лазерная связь в глубоком космосе будет проверена в ходе миссии «Психея». Зонд стартует в 2022 году, а в 2026 году достигнет металлического астероида 16 Psyche. На борту зонда будет установлено специальное оборудование Deep Space Optical Communications (DSOC) для передачи большего количества данных. DSOC должно повысить производительность и эффективность связи космических аппаратов в 10-100 раз по сравнению с обычными средствами, без увеличения массы, объема, мощности и спектра.

Ожидается, что использование лазерной связи приведет к революционным изменениям в будущих космических миссиях.

Особенности распространения радиоволн на космических линиях связи

В статье рассматриваются особенности распространения радиоволн на космических линиях связи. Представлены результаты расчета скорости вращения вектора напряженности электрического поля в зависимости от частоты сигнала. Приведены результаты расчета возможного доплеровского сдвига частоты при связи с космическим аппаратом «Вояджер-1», запущенным в сентябре 1977 года.

Ключевые слова: эффект Доплера, доплеровский сдвиг, космические аппараты КА, ослабление сигнала, линия связи, «Вояджер-1».

С появлением первого радио, изобретенного А. С. Поповым в 1895 году, трудно даже было представить человечеству, как сильно это повлияет на жизнь человечества. Именно благодаря радиосвязи улучшилась система оповещения народа о чрезвычайных ситуациях, а с первых дней Великой Отечественной войны она стала важнейшим средством оперативного управления войсками и информирования населения огромной страны. С помощью радиосвязи в недавнее время также появилась возможность дистанционного управления устройствами, роботами, машинами и т. д. Возможности использования свободно распространяющейся электромагнитной волны в современном мире безграничны.

В последние десятилетия наблюдается бурное стремление изучить космическое пространство с помощью дистанционно управляемых космических кораблей. В связи с этим все чаще теряются в межзвездном пространстве космические аппараты КА (зонды), предназначенные для изучения комет, планет и других космических объектов. Все эти потери губительно сказываются на состоянии государства. Чтобы минимизировать частые потери связи при дистанционном управлении объектов решается целый круг научно-технических задач. Многие из них связаны с особенностями распространения радиоволн в околоземном пространстве, межзвездном газе и атмосфере других планет солнечной системы.

Ослабление сигнала в Земной атмосфере и межзвездном газе

Общие потери сигнала на любой радиолинии складываются из основных и дополнительных потерь. Основные потери определяются ослаблением в свободном пространстве из-за расхождения лучей по причине сферического фронта волны. Дополнительные потери обусловлены неоднородностью среды, результатом поглощения, изменения первоначальной поляризации волны под действием магнитного поля и т. д. На рис.1 показано преломление радиоволны при излучении в космическое пространство на границе раздела двух сред с различными диэлектрическими проницаемостями .

Рис. 1. Преломление радиоволны за счет перехода из границы раздела сред с различными диэлектрическими проницаемостями

Радиоволны различных диапазонов по-разному проходят через земную атмосферу. Для космической связи оптимален диапазон от 1,5 до 30 сантиметров (ГГц). За пределами этого окна радиосигнал заметно ослабляется в атмосфере или даже может от нее отразиться. На более коротких волнах потери энергии растут за счет поглощения молекулами воды и кислорода в тропосфере, а на более длинных волнах прохождению сигнала все сильнее мешает ионосфера, которая для волн длиннее 10–30 метров становится непреодолимой преградой. Поглощение радиоволн также вызывается дождем и туманом, но, конечно, не в такой мере, как в оптическом диапазоне [2]. Также необходимо учесть, что чем меньше угол вхождения радиоволны в ионосферу, тем малая вероятность обратного отражения от слоя ионосферы (этот эффект уменьшается с ростом частоты).

Как известно, при наличии постоянного магнитного поля Земли, во время распространения в ионосфере волна расщепляется на две волны — обыкновенная и необыкновенная. Они имеют отличительные друг от друга фазовые фронты, приводящие к повороту плоскости поляризации суммарной волны. В результате этого сигнал, принятый линейно поляризованной антенной испытывает поляризационные замирания. В табл. 1 приведены результаты расчета скорости вращения вектора напряженности электрического поля в зависимости от частоты сигнала [1].

Таблица 1

Доплеровский эффект на космической линии связи

Одной из особенностей связи с движущимися объектами (с космическим аппаратом в том числе) является то, что принятые сигналы отличаются по частоте от передаваемых. Это явление получило название «эффект Доплера». Суть его в том, что при передаче сообщения длительностью оно принимается за время . При удалении источника излучения от наблюдателя частота сигнала уменьшается, а при приближении к наблюдателю — увеличивается.

Таким образом, при достаточно больших скоростях движущегося источника излучения относительно приемника возникают доплеровский сдвиг и деформация спектра сигнала. Для компенсации влияния доплеровского эффекта в приемных устройствах применяют системы автоматической подстройки частоты местного гетеродина или в соответствии с орбитой ИСЗ применяют соответствующие поправки в несущую частоту передатчика. К сожалению, ни один из этих методов не способен на высоких скоростях движения небесных тел друг относительно друга устранить искажения спектра сигнала.

В 1977 году был запущен в космическое пространство автоматический зонд «Вояджер-1», исследующий солнечную систему и её окрестности. В данный момент он находится на границе Солнечной системы и вскоре ее покинет. Через несколько лет, по данным от ученых NASA, сигнал станет столь слабым, что принять его уже будет невозможно. На 10 января 2012 года текущая скорость космического путешественника относительно Солнца — 17,0 км/с [3]. Частоты связи, на которых производится передача данных — 2295 и 8418 МГц [4]. Определим возможный сдвиг частоты при связи с этим кораблем.

МГц;

МГц;

В заключение можно отметить несколько важных аспектов. Во-первых, при правильном выборе рабочих частот на космических радиолиниях ослабление сигнала определяется в основном ослаблением в свободном пространстве. Во-вторых, доплеровский эффект пропорционален частоте сигнала и проявляется все значительней с увеличением скорости движущегося объекта относительно наблюдателя.

Литература:

1.                Л. К. Андрусевич, А. А. Ищук, К. А. Лайко, Антенны и распространение радиоволн: учебник для вузов, Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006.-396 с.
2.                Электронный ресурс, сайт: http://www.vokrugsveta.ru/vs/article/5956/, дата обращения: 22.01.2016г.
3.                Электронный ресурс, сайт: https://ru.wikipedia.org/wiki/ %D0 %92 %D0 %BE %D1 %8F %D0 %B4 %D0 %B6 %D0 %B5 %D1 %80–1, дата обращения: 23.01.2016г.
4.                Электронный ресурс, сайт: http://informatik-m.ru/2011–06–20–18–25–05/dalnjaja-kosmicheskaja-svjaz-vojadzher-1.html, дата обращения: 23.01.2016г.
5.                М. Ю. Застела, «Основы радиоэлектроники и связи», Казань: ЗАО «Новое знание», 2009.-340 с.

РАДИО ВСЕМ, №2, 1929 год. Радиосигналы — странники

«Радио Всем», №2, январь 1929 год, стр. 42-44

Радиосигналы — странники

С. Кин.

Скорость радиосигналов.

Вряд ли кто-либо из радиолюбителей, сидя с телефоном на ушах где-нибудь на окраине СССР и проверяя свои часы по бою Кремлевской башни, задумывается над тем, действительно ли он слышит первый удар башенных часов точно в тот самый момент, когда этот удар слышат московские радиолюбители. И он, конечно, вправе (если над этим вопросом все же задумываться) считать, что слышит удары башенных часов одновременно с москвичом. Того же любителя, который в этом сомневается, окончательно должен убедить следующий простой расчет. Радиоволны, как и всякие электромагнитные волны, как известно, распространяются со скоростью около 300 000 километров в секунду. И если вы находитесь даже на расстоянии 3 000 километров от Москвы, то сигнал затратит только одну сотую секунды, чтобы достичь вашего приемника. Ясно, что сотая секунды — это такой малый промежуток времени, которым можно пренебречь не только при проверке карманных часов, но даже и в случаях, требующих гораздо большей точности — например при обычных астрономических наблюдениях.

При этих расчетах мы приняли, что радиоволны распространяются со скоростью 300 000 километров в секунду, но верно ли это? Проверено ли на опыте, что радиоволны всегда распространяются с такой скоростью? Эти вопросы совершенно естественно могут возникнуть у всякого. И теоретическими рассуждениями этих сомнений рассеять нельзя. Даже наоборот, теория показывает, что скорость распространения радиосигналов может очень сильно отличаться от скорости света в пустоте (т. е. от скорости в 300 000 километров в секунду). Мы подчеркиваем, что речь идет о скорости распространения целых радиосигналов, а не электромагнитных волн (радиоволн) вообще¹).

Помимо этого сомнительного пункта может возникнуть также и другое сомнение. Верно ли, что радиоволны, особенно короткие, распространяются по кратчайшему пути? Не выбирают ли они иногда более длинных, но почему-либо более удобных для себя, путей?

«Запаздывающие» сигналы.

Сомнения эти можно было разрешить путем опыта, который и предприняли американские радиоинженеры Тэйлор и Юнг. Они определили время, потребное на то, чтобы радиосигнал, отправленный с работающей короткими волнами станции Рокки-Пойнт, достиг бы приемной станции, расположенной в Вашингтоне. Расстояние между этими пунктами составляет около 420 километров и, следовательно, по нашим расчетам мы получили бы время примерно в одну семисотую долю секунды. Но оказалось, что в различных случаях сигнал затрачивает на это путешествие время от ¹/₁₀₀ до ¹/₃₀ секунды, т. е. во много раз большее. Этот результат, хотя и неожиданный, все же не особенно озадачил радиоспециалистов. Объяснение подыскать было не трудно — нужно было только предположить, что радиоволны распространяются не по кратчайшему пути и что скорость их распространения меньше скорости света. В обоих этих предположениях нет ничего невероятного. Первое из них подтверждается еще и рядом других фактов, которые указывают, что короткие волны распространяются не прямолинейно, а «зигзагами», отражаясь много раз от поверхности земли и от верхних слоев атмосферы. Таким образом, опыты Тэйлора и Юнга не внесли никакого «переполоха» в радиотехнику. Ничего загадочного в этих опытах не оказалось.

«Сигналы — эхо».

Но переполох все же вскоре разразился. И вызвали его недавно опубликованные результаты новых наблюдений норвежцев — проф. Штормера и инженера Гальса. Эти два наблюдателя (с той же целью, так Тэйлор и Юнг в Америке) вели в Осло прием мощной радиотелефонной станции PCII фирмы «Филиппс» в Эйдховене (в Голландии). Станция эта работает на коротких волнах и хорошо известна коротковолновикам-любителям всего мира, так как работу ее можно слышать почти во всех точках земного шара. В определенные моменты, заранее точно установленные, станция PCII передавала подряд один или несколько очень коротких отрывистых сигналов. Наблюдатели в Осло отмечали момент, когда тот или другой из сигналов был принят. Оказалось, что сигналы прибывают с некоторым опозданием против «расписания». Но кроме того, после некоторых сигналов можно было различить своеобразное «эхо» — повторение сигнала через некоторый промежуток времени после основного сигнала. Этот промежуток времени менялся от одного наблюдения к другому и довольно часто достигал целых 15 секунд. Легко сообразить, что это значит, если считать, что радиоволны распространяются со скоростью 300 000 километров в секунду. За пятнадцать секунд радиосигнал успел бы пройти четыре с половиной миллиона километров и, следовательно, он совершил такую «прогулочку» и только после этого попал в приемник.

Эти первые наблюдения (они были сделаны в марте 1928 года) показались настолько невероятными, что им сначала просто не хотели верить. Однако, по настоянию проф. Штормера в октябре истекшего года опыты были повторены, причем наблюдения велись уже сразу в трех пунктах — в Осло и в других местах вблизи Эйдховена, т. е. недалеко от передающей станции. Наблюдения проф. Штормера и на этот раз целиком подтвердились. «Сигналы-эхо» были слышны как в Осло, так и в Эйдховене, причем удавалось одно и то же «эхо» отметить не только в двух, но даже во всех трех приемниках одновременно. При сравнении записей приема во всех трех пунктах оказалось, что некоторые «сигналы-эхо» были приняты одновременно тремя наблюдателями — например сигнал № 53 на графике, в котором сведена часть наблюдений трех приемных станций (см. рис.).

После этого уже не могло оставаться никаких сомнений в том, что «сигналы-эхо», странствующие неизвестно где в течение многих секунд, действительно существуют.

Загадка «сигналов-странников».

Где же «пропадают» эти «сигналы-странники» в течение многих секунд? Запаздывание сигналов на небольшие доли секунды можно (как мы уже указывали) без большой натяжки объяснить тем, что они распространяются не по кратчайшему пути и со скоростями несколько меньшими, чем скорость электромагнитных волн в пустоте. Но для объяснения огромных опозданий в 10—15 секунд пришлось бы предположить одно из двух — или что скорость радиосигналов на некоторых участках их пути уменьшается во много тысяч раз по сравнению со скоростью радиоволн в пустоте, или что «радиосигналы-странники», прежде чем достигают приемника, совершают огромные путешествия в несколько миллионов километров. Трудно сказать, которое из этих объяснений более правдоподобно — оба они звучат не очень убедительно, и, пожалуй, первое из них принять труднее, чем второе.

Но все же известный голландский физик профессор Ван-дер-Поль недавно выдвинул первое из этих предположений в качестве объяснения причины запаздывания «сигналов-эхо»²).

Объяснение Ван-дер-Поля вкратце сводится к следующему. В теории электромагнитных волн рассматриваются две скорости распространения волн. Первая, так называемая «фазовая скорость», это та скорость, с которой распространяется непрерывная, бесконечная и ничем не ограничимая электромагнитная волна. Такую волну, например, создавал бы незатухающий радиотелеграфный передатчик, если бы мы нажали ключ передатчика и держали его нажатым втечение очень большого промежутка времени. Другая скорость это — «групповая скорость», с которой распространяется не непрерывная, неограниченная волна, а небольшая группа волн — ограниченная с двух сторон, то есть небольшой отрезок бесконечной волны. Такие именно группы, или как их иначе называют «цуги» волн создает радиотелеграфный передатчик, посылающий отдельные короткие отрывистые сигналы. Обе эти скорости — фазовая и групповая — совпадают только в пустоте. А в какой-либо среде, поглощающей и рассеивающей электромагнитные волны, обе эти скорости уже не совпадают друг с другом, и в некоторых случаях отличаются одна от другой очень значительно.

Совершенно ясно, что когда мы говорим о скорости распространения радиосигналов, то речь в сущности идет о групповой скорости распространения волн, так как каждый радиосигнал представляет собой именно группу волн, ограниченную с обеих сторон. Да иначе оно и не могло быть. Ведь если бы передатчик посылал непрерывную и неограниченную цепь волн, то это не были бы сигналы, и о скорости распространения такой непрерывной цепи волн ничего нельзя было бы сказать. Ведь нужны именно отдельные сигналы для того, чтобы сравнить момент времени, когда они переданы, с тем моментом, когда они приняты.

Причины опозданий.

И вот оказывается, что именно групповая скорость волн может очень сильно изменяться, в зависимости от присутствия свободных электронов в той среде, по которой распространяются электромагнитные волны. Для данной длины волны можно подсчитать ту «концентрацию» электронов (т. е. количество электронов на один кубический сантиметр), при которой скорость становится очень мала. Для волн порядка 30 метров эта «критическая концентрация» соответствует примерно одному миллиону электронов на 1 куб. сантиметр. И вот, если электромагнитная волна длиною в 30 метров попадает в область с такой концентрацией электронов, то ее дальнейшее распространение происходит очень медленно, и в таком районе радиосигнал может задержаться на довольно большой промежуток времени. Таким образом можно объяснить происхождение «сигналов-эхо», приходящих с большим опозданием. Радиосигналы, отправленные передатчиком, на пути своего распространения в верхних слоях атмосферы «натыкаются» на области с критической концентрацией электронов. Через эти области они пробираются очень медленно, и поэтому задерживаются в них на довольно большие промежутки времени. И только после того как сигналу удалось выбраться из такой области, он, наконец, добирается до приемника, но уже с большим опозданием. Величина этого опоздания зависит от условий в верхних слоях атмосферы и вместе с изменением этих условий от раза к разу может меняться. Так оно и наблюдается в действительности — при различных наблюдениях время, отделяющее «эхо» от основного сигнала, изменяется в больших пределах.

Словом, объяснение загадки как будто найдено, и тайна «волн-странников» раскрыта.

Однако, тотчас же после опубликования этого объяснения, против него было выдвинуто одно очень серьезное возражение. Дело в том, что путешествие радиоволн по «критическим областям» неизбежно связано с большими потерями энергии. И чем дольше радиосигнал «околачивается» в критической области, тем большая часть его энергии в этой области поглощается. Можно подсчитать, что сигнал, который провел в критической области 10 секунд, должен выйти из нее настолько ослабленным, что принять его нельзя было бы на самый чувствительный не только из существующих, но даже из вообще мыслимых приемников. Между тем «сигнал-эхо» бывает слышен почти так же громко и явственно, как и основной сигнал.

Таким образом, как будто бы удовлетворительное на первый взгляд объяснение Ван-дер-Поля приходится отвергнуть из-за приведенного выше возражения.

Где странствуют «сигналы-эхо»?

Остается второе предположение, что скорость «радиосигналов странников» мало отличается от скорости света, но что зато они успевают за время своих странствований проделать огромные путешествия в несколько миллионов километров. Но при этом тотчас же возникает вопрос — по каким путям они эти путешествия совершают? Само собой напрашивается сравнение их с тем типом «сигналов-эхо», которые наблюдались впервые, пару лет тому назад, при работе мощных коротковолновых станций в Науэне (Германия) и Рио-де-Жанейро (Бразилия). Прием велся на пишущие приборы, и на приемной ленте можно было обнаружить повторные «сигналы-эхо», пришедшие через ¹/₇, и даже ²/₇ секунды после основного сигнала. Время в ¹/₇ секунды при скорости радиоволн в 300 000 километров в секунду соответствует пути в 43 000 километров, то есть примерно длине окружности земного шара. Легко было догадаться, что «сигналы-эхо» проделывали путь вокруг земного шара и только после этого попадали в приемник.

Нельзя ли предположить, что «сигналы-странники», запаздывающие на 10—15 секунд, тоже проводят это время в кругосветных «странствованиях». В пятнадцать секунд сигнал успел более ста раз обойти земной шар. Однако, распространяясь в пределах земной атмосферы, он должен был бы очень сильно поглощаться. После ста кругосветных путешествий, даже при том небольшом поглощении, которое существует в верхних слоях атмосферы, сигнал был бы настолько ослаблен, что принять его было бы невозможно. Итак, по тем же соображениям, как и объяснение Ван-дер-Поля, последнее предположение надо отвергнуть.

«Межпланетные странники».

Вообще, сигнал, который совершил путь в несколько миллионов километров даже в слабо поглощающей среде, к концу пути должен быть настолько слаб, что о приеме его не может быть и речи.

Поэтому, если считать, что сигнал действительно совершает эти огромные путешествия (а это, как видит читатель, нужно предположить), то придется допустить, что только незначительную часть пути он совершает в поглощающей среде, то есть в земной атмосфере, а почти весь путь он проходит в пустоте — в межпланетном пространстве. Нужно допустить, что радиоволны проникают через всю атмосферу, окружающую землю, и уходят в межпланетное пространство и в нем распространяются не только без поглощения, но и прямолинейно (в пустоте электромагнитные волны всегда распространяются прямолинейно).

Но если волны покинули землю и отправились в «межпланетное путешествие» по прямому пути, то что же может их заставить повернуть обратно и возвращаться на землю? Автор гипотезы о «межпланетных путешествиях» радиосигналов, проф. Штормер, предложил такое объяснение много раньше для совершенно другой цели (в своей новой теории северных сияний). Проф. Штормеру пришлось выставить гипотезу, что солнце, подобно нити катодной лампы, испускает поток отрицательных электрических частиц — электронов. И если радиосигнал натыкается в межпланетном пространстве на этот электродный поток, то он может от него отразиться и вновь попасть на землю.

Конечно, и против этого чрезвычайно смелого предположения есть некоторые возражения. Основное из них — это сомнение в том, могут ли радиоволны вообще проникать сквозь всю атмосферу и попадать в межпланетное пространство. Но этот вопрос до сих пор вообще нельзя считать разрешенным. И поэтому смелое и маловероятное предположение проф. Штормера — это все же единственное, пока неопровергнутое, объяснение причин появления «сигналов-эхо». Трудно пока что-либо еще оказать об этом интересном и не разгаданном еще явлении. Но тот факт, что этим вопросом заинтересовался целый ряд выдающихся ученых, дает нам право надеяться, что скоро мы услышим о них что-либо новое и интересное.

И если проф. Штормер прав, если «радиоволны-странники» — это странники не земные, а «межпланетные», то в руках человека окажется новое средство для изучения межпланетных пространств и наших ближайших «соседей» в мировом пространстве.

Если радиоволны могут совершать «прогулки» в несколько миллионов километров, то уж во всяком случае они могут достичь луны, а может быть и некоторых планет и, отразившись от них, вернуться на землю. А побывав на какой-либо планете и отразившись от нее, радиоволны смогут многое «рассказать» о ее строении и форме, подобно тому, как световой луч, отразившись от какого-либо тела, «рассказывает» нам о форме и окраске этого тела.

¹) Об этих двух различных скоростях и связи между ними будет еще итти речь ниже.

²) Письмо проф. Ван-дер-Поля по этому вопросу опубликовано в одной из декабрьских книжек английского журнала «Природа» (Nature).

Радиосвязь в космосе и на орбите Земли / Интересное / magSpace.ru

Радиосвязь в космосе и на орбите Земли

Электромагнитные волны, с помощью которых радиосигнал передается в космическом пространстве, движутся с гигантской скоростью — скоростью света. На Земле задержки в передаче почти не ощущаются, а вот с космонавтами на орбите приходится говорить уже с задержкой. Ответ с Луны будет идти полторы секунды, с Марса — уже минут шесть. Кроме того, по мере удаления передатчика сигнал стремительно затухает. Как же быть? Проблема тяжелая, но решаемая.

Сегодня самый удаленный космический объект, с которым поддерживается радиоконтакт, — это американская автоматическая межпланетная станция «Вояджер-1», запущенная 5 сентября 1977 года. В августе прошлого года она преодолела рубеж 100 астрономических единиц (15 миллиардов километров) и вплотную подошла к границе Солнечной системы. Радиосигнал с такого расстояния идет около 14 часов. Информация с «Вояджера» на Землю передает жестко скрепленная с корпусом параболическая антенна диаметром 3,65 метра, которая должна быть сориентирована точно на родную планету. Через нее на частотах 2295 МГц и 8418 МГц шлют сигналы два радиопередатчика мощностью по 23 ватта. Для надежности каждый из них дублирован. Большая часть данных транслируется на Землю со скоростью 160 бит/с — это всего раза в три-четыре быстрее, чем скорость набора текста профессиональной машинисткой и в 300 раз медленнее телефонного модема. Для приема сигнала на Земле используется 34-метровые антенны сети дальней космической связи NASA, но в некоторых случаях задействуются самые большие 70-метровые антенны, и тогда скорость удается поднять до 600 и даже 1400 бит/с. По мере удаления станции ее сигнал слабеет, но еще важнее то, что постепенно снижается мощность радиоизотопных генераторов, которые питают передатчики. Ожидается, что станция сможет передавать научные данные еще по крайней мере 10 лет, после чего связь с ней прекратится.

Связь с космическими аппаратами поддерживают не только профессионалы, но и любители. Первый американский радиолюбительский спутник OSCAR-1 был запущен уже в 1961 году, а в 1969-м в США появилась и общественная спутниковая радиолюбительская организация AMSAT (AMateur SATellite). В СССР первые радиолюбительские аппараты «Радио-1» и «Радио-2» были запущены 26 октября 1977 года. Заядлыми радиолюбителями являются многие космонавты и астронавты. Космонавт Муса Манаров, например, первым вышел на связь в любительском диапазоне с борта орбитальной станции «Мир». На Международной космической станции тоже есть коротковолновая радиостанция, и в часы отдыха экипаж иногда выходит на связь с радиолюбителями разных стран. А около 10 лет назад из спутникового радиолюбительства возникло новое бурно развивающееся направление — «студенческие» спутники. Как оказалось, участие студенческих групп в создании космических аппаратов — очень эффективный способ подготовки квалифицированных кадров для космической и других высокотехнологичных отраслей.
Космические радиолюбители Земли

Уже из этого описания видно, что космическая радиосвязь зависит от множества различных факторов: дальности, мощности передатчика, размеров бортовой и наземной антенн, длины волны, качества приемопередающей электроники, помех, шумов, поглощения сигнала в окружающей среде и даже от скорости движения космического аппарата. Принцип действия радиосвязи состоит в том, что колебания тока в антенне передатчика создают в окружающем пространстве электромагнитные волны, которые, двигаясь со скоростью света, достигают антенны приемника и возбуждают в ней переменный электрический ток. Этот наведенный ток очень слаб, но если настроить приемник точно в резонанс с частотой радиоволны, то даже слабое ее воздействие может раскачать в антенне вполне заметные колебания. Затем их усиливают, анализируют и извлекают переданную информацию.
Радиоволны различных диапазонов по-разному проходят через земную атмосферу. Для космической связи оптимален диапазон от 1,5 до 30 сантиметров. За пределами этого окна радиосигнал заметно ослабляется в атмосфере или даже может от нее отразиться. На более коротких волнах потери энергии растут за счет поглощения молекулами воды и кислорода в тропосфере, а на более длинных волнах прохождению сигнала все сильнее мешает ионосфера, которая для волн длиннее 10—30 метров становится непреодолимой преградой. Поглощение радиоволн также вызывается дождем и туманом, но, конечно, не в такой мере, как в оптическом диапазоне. Приемник не улавливает радиоволны, если они слабее его порога чувствительности. Между тем энергия электромагнитных волн падает как квадрат пройденного ими расстояния. Это значит, что сигнал с Марса будет в сотни тысяч раз слабее, чем такой же сигнал, переданный с Луны, а с Плутона — еще в тысячу раз слабее. У инженеров есть несколько способов удержать радиосигнал выше порога чувствительности приемника. Самый очевидный — увеличить мощность передатчика. На Земле это легко сделать — антенны системы дальней космической связи NASA излучают в космос до полумегаватта энергии. А вот на космическом аппарате бюджет энергии жестко ограничен. Ее вырабатывают либо солнечные батареи, либо радиоизотопные генераторы. И для получения большей мощности надо увеличивать их массу. При этом растут также площадь и масса радиаторов, отводящих избыток вырабатываемого тепла. Общая масса аппарата ограничена возможностями ракеты-носителя, а увеличить же массу отдельной системы за счет других чаще всего невозможно. Космические аппараты — это очень гармоничные технические комплексы, где все параметры жестко завязаны друг на друга: нельзя серьезно изменить одну систему, не повлияв на параметры других. Сегодня для спутников существует эмпирическая формула: «1 кг, 1 Вт, 1 литр», которая означает, что объем спутника массой в 1 тонну составит около 1 кубометра, а его система энергопитания способна достичь мощности 1 киловатт. К примеру, мощность передатчиков радиолюбительских спутников составляет всего несколько ватт, а современные телекоммуникационные аппараты на геостационарной орбите могут иметь передатчики мощностью несколько киловатт, что позволяет принимать их сигнал небольшими «тарелками» спутникового телевидения.
Если увеличить размер приемной антенны, то можно собрать больше энергии электромагнитной волны и поймать сигнал более слабого передатчика. В космосе размеры антенн обычно не превышают габаритов обтекателя ракеты-носителя, то есть нескольких метров. Хотя в последнее время инженеры научились обходить это ограничение — антенны все чаще делают разворачиваемыми. Например, аппараты «Турая» (Thuraya), поддерживающие мобильную спутниковую связь, оснащены 12-метровой антенной, которая разворачивается как зонтик из первоначальной компактной укладки. На Земле для дальней космической связи используются параболические антенны диаметром до 70 метров. Это уже близко к пределу — современные конструкционные материалы не позволяют создавать на поверхности Земли намного более крупные подвижные антенны, поскольку они деформируются под собственной тяжестью. В будущем их местом станет околоземная орбита. В невесомости гигантская космическая антенна может быть постепенно собрана из очень легких ажурных элементов.
Размер антенны важен и еще по одной причине: чем он больше, тем меньше расходится в пространстве пучок радиоволн. Обычная дипольная антенна, как у походной рации, излучает почти одинаково во все стороны, и большая часть энергии теряется зря. Трехметровая параболическая антенна позволяет зажать пучок радиоволн сантиметрового диапазона в пределах угла порядка одного градуса, что дает выигрыш в мощности в десятки тысяч раз. Но при этом возникает необходимость точно нацеливать антенну на Землю. Если откажет система ориентации, связь с аппаратом прервется. Именно так погибла советская межпланетная станция «Фобос-1». В 1989 году на подлете к Марсу она получила неверную команду с Земли, в результате чего произошел сбой в работе бортового компьютера, аппарат потерял ориентацию, солнечные батареи отвернулись от Солнца, а параболическая антенна — от Земли. Операторы безуспешно пытались наладить контакт со станцией. Таким образом, связь — это критическое звено во всех межпланетных миссиях. Отказ других систем часто удается обойти, пусть иногда и ценой потери части научных данных. Но если рвется связь с Землей, то даже исправный в остальных отношениях аппарат фактически перестает для нас существовать. Поэтому коммуникационная система должна быть исключительно надежна и на всех современных космических аппаратах она как минимум продублирована. При сбоях, которые в большинстве случаев приводят к потере ориентации аппарата или его переводу в режим закрутки, низкоскоростная система связи через всенаправленную антенну передаст на Землю параметры состояния бортовых систем и обеспечит прием команд управления. Когда работоспособность аппарата будет восстановлена, связь пойдет через быстрый канал передачи информации.
Простейшие сигналы «простейшего спутника»
Ровно 50 лет назад, 4 октября 1957 года, из космоса впервые был принят радиосигнал искусственного происхождения. Радиомаяк первого спутника транслировал с орбиты в эфир простые короткие сигналы «бип-бип». Передача шла на двух частотах — 20 и 40 МГц (длина волны — 15 и 7,5 метра), доступных для приема радиолюбителями на Земле. Для них это был знак выдающегося события — выхода человечества в космос. Специалисты же вдобавок получали важную телеметрическую информацию — периодичность сигналов сообщала о температуре в приборном отсеке, а по прохождению радиоволн через ионосферу определялись физические условия в околоземном пространстве. Первый искусственный спутник поднялся над Землей менее чем на тысячу километров, а химической батареи, питавшей его передатчик, хватило на 22 дня. Спустя полвека, космические аппараты работают в сотни раз дольше и улетают в миллионы раз дальше, чем «простейший спутник» ПС-1. Но даже самые лучшие из них никогда уже не будут первыми.

Впрочем, ненаправленная антенна используется не только при нештатных ситуациях. Во время длительных межпланетных перелетов, когда станция пребывает в «спящем» режиме, поддерживать связь по высокоскоростному каналу невыгодно — информации мало, а сохранение точной ориентации требует пусть и небольшого, но постоянного расхода топлива. С другой стороны, в сложных межпланетных миссиях к ориентации аппарата могут предъявляться многочисленные противоречивые требования: повернуть солнечные батареи к свету, двигатель — соответственно производимому маневру, научную аппаратуру — на изучаемый объект. А если надо еще, например, правильно сориентировать отделяющийся спускаемый аппарат или защитный экран, предохраняющий от воздействия космической пыли, то связь по узконаправленному каналу в какие-то моменты приходится разрывать. В это время научные данные записываются в память бортового компьютера, а по медленному резервному каналу связи передается только жизненно важная телеметрическая информация. Если в нужный момент аппарат не сможет сам восстановить быстрый канал связи, ему помогут с Земли, отправив нужные команды, используя низкоскоростной канал.
Хорошим примером может служить японский исследовательский зонд «Хаябуса» (Hayabusa), взявший в ноябре 2005 года пробы грунта с астероида Итокава. Из-за ошибок в навигации он совершил незапланированную посадку на поверхность астероида. После взлета вышла из строя система ориентации и существовала реальная опасность потерять аппарат. Однако многократно резервированная и гибкая система связи, имеющая несколько типов антенн и передатчиков, позволила восстановить связь с межпланетной станцией. Вместо отказавшей системы ориентации (из нее испарилось топливо) инженеры решили использовать для поворотов зонда ксенон (рабочее тело маршевого ионного двигателя), понемногу стравливая его через клапаны, — выполнение задания продолжилось.
Другой пример — европейский зонд «Гюйгенс», который в январе 2005 года совершил посадку на поверхность спутника Сатурна — Титана. У аппарата имелось два независимых канала связи для параллельной передачи на разных частотах уникальных снимков и другой информации, получаемой в ходе спуска в атмосфере Титана. Первоначально планировалось, что эти каналы будут для надежности полностью дублировать друг друга, но потом их решили использовать независимо, чтобы увеличить объем получаемой информации. Однако жадность до добра не доводит — из-за ошибки в программе управления один из каналов просто не включился. В результате пропала половина из 700 сделанных снимков, а также данные о скорости ветра в атмосфере спутника. Конечно, и полученных снимков хватило, чтобы сделать множество открытий, а данные о ветре удалось восстановить с помощью земных радиоастрономических сетей благодаря уникальной наблюдательной кооперации. Но только подумайте, что бы случилось, будь отказавший канал связи единственным!

Шум и Скорость

Главный параметр любой системы связи — скорость передачи информации. Она определяется не столько мощностью сигнала, сколько соотношением его амплитуды с шумами, которые мешают приему. Шум возникает в аппаратуре приемника и передатчика из-за теплового движения атомов. А в космическом радиоэфире «шумит» реликтовое микроволновое излучение, оставшееся от Большого взрыва. Собственно, его и открыли в 1964 году случайно, в попытках избавиться от непонятного шума в новой антенне, на которой изучались возможности космической связи. Шум отфильтровывается статистически за счет его случайного характера. Он равновероятно вызывает в антенне движение тока то в одну, то в другую сторону. В среднем за длительное время его вклад будет нулевым. Но чем слабее сигнал по отношению к шуму, тем дольше нужно вести прием и осреднение, чтобы отфильтровать шум. Сегодня космическая информация передается в цифровом виде, то есть последовательностями нулей и единиц — битов. Чем хуже отношение сигнал/шум, тем больше времени уходит на передачу каждого бита. Если попытаться форсировать передачу, сообщения станут приниматься с ошибками. Поэтому, чем дальше от нас находится аппарат, чем слабее его сигнал, тем медленнее идет с ним обмен информацией.
Впрочем, ошибки с некоторой вероятностью возникают при любой скорости передачи. Причиной могут быть редкие сильные флуктуации шума, сбои аппаратуры, но чаще всего — помехи от посторонних источников, например, от статических микроразрядов в аппаратуре, радиоизлучения молний, земных радиопередатчиков. Сломанная микроволновая печь в окрестностях приемной антенны сойдет в радиоэфире за сигнал внеземной цивилизации. Чтобы избавиться от длительных помех, передачу информации дублируют на разных частотах. А от коротких импульсных помех, которые искажают несколько битов в передаче, спасают особые методы кодирования, позволяющие выявлять и даже автоматически исправлять ошибки. При проектировании системы космической связи также необходимо принимать во внимание скорость движения аппарата. От нее зависит доплеровский сдвиг частоты радиосигнала. Вариации скорости относительно Земли в некоторых случаях, например при полете к быстро движущемуся по своей орбите Меркурию, могут достигать 100 км/с — это три сотых процента скорости света. На столько же смещаются и частоты сигналов. Если этот эффект не учесть, приемный контур может не попасть в резонанс с несущей частотой передатчика, и его чувствительность резко упадет. Вместе с тем по доплеровскому сдвигу частоты сигнала можно с высокой точностью определить скорость движения космического аппарата вдоль луча зрения. Поэтому системы связи широко используются для контроля точности выполняемых в космосе маневров. И, кстати, скорости дующих на спутнике Сатурна ветров удалось определить именно по изменению частоты ультрастабильного передатчика зонда «Гюйгенс» во время его парашютного снижения в атмосфере Титана.

Вращающиеся на низкой околоземной орбите (до 1000 километров) аппараты попадают в поле зрения одной станции управления только несколько раз в сутки (обычно 4—6) и всего на несколько минут, поэтому им программа работы задается сразу на несколько часов или дней вперед. Чтобы увеличить количество сеансов связи, на Земле ставят больше станций, располагая их на существенном удалении друг от друга. В советское время существовал даже специальный космический флот, суда которого работали в разных частях света, обеспечивая связь со спутниками, пилотируемыми космическими кораблями. Если с низколетящим аппаратом требуется непрерывная связь, сигнал передается на него через спутники-ретрансляторы на геостационарной орбите. Трех таких аппаратов, неподвижно висящих над экватором на высоте 36 тысяч километров, достаточно, чтобы охватить практически всю территорию Земли за исключением полярных районов. Например, связь с Международной космической станцией и американскими космическими челноками «Спэйс Шаттл» происходит через американские спутники-ретрансляторы TDRS (хотя связь через наземные станции тоже используется). Благодаря этому экипаж может связаться с ЦУПом в подмосковном городе Королеве и в американском Хьюстоне, а также звонить домой и пользоваться электронной почтой. Подобная система существовала и в нашей стране. Контакт со станцией «Мир» на так называемых «глухих витках» поддерживался через геостационарный космический аппарат «Луч». Сейчас ведутся работы над системой «Луч» нового поколения.
Звонок с космической станции

Специфическая проблема в управлении космическими аппаратами связана с задержкой распространения радиоволн на огромных межпланетных расстояниях. Обмен сигналами с Луной занимает больше 2 секунд. Сможете ли вы проехать даже по хорошо знакомой местности, если дорогу будете видеть с задержкой на секунду, а на повороты руля машина станет реагировать еще через секунду? Между тем именно в таких условиях шло управление с Земли советскими «Луноходами». До Марса радиосигнал идет от 3 до 22 минут в зависимости от положения планеты на орбите. При такой задержке невозможно оперативно вмешаться с Земли в такие ответственные этапы миссии, как коррекция траектории полета, выход аппарата на орбиту вокруг планеты, его вхождение в атмосферу, да и движением по поверхности управлять непросто. Поэтому межпланетные аппараты становятся все более интеллектуальными и независимыми от контроля с Земли. Например, одной из основных задач зонда «Хаябуса» была отработка методов автономной навигации с использованием ионных двигателей.
Очень «умными» являются работающие на Марсе американские планетоходы Opportunity и Spirit. В отличие от советских «Луноходов», управление которыми осуществлялось оператором с Земли практически в режиме реального времени, на борт марсоходов обычно отправляют только координаты цели, куда они должны добраться. Бортовой компьютер, обработав стереоскопические снимки местности, самостоятельно оценивает размер валунов, расстояние между ними, наклон поверхности и по этим данным прокладывает путь. Прошлым летом специалисты NASA обновили программное обеспечение марсоходов — залили новую прошивку, говорят компьютерщики. Это повысило их автономность. Кроме того, чтобы не перегружать канал связи, марсоходы теперь сами оценивают, насколько интересны сделанные снимки, и определяют какие из них и в какой очередности передавать на Землю.
Небольшие планетоходы и спускаемые аппараты неудобно, а иногда и невозможно оснащать полноценной системой дальней космической связи. На них просто негде поместить направленную антенну, да и удерживать направление на Землю при спуске в атмосфере или езде по незнакомой поверхности почти невозможно. В таких случаях сигналы передаются ненаправленной антенной и ретранслируются на Землю находящимся поблизости более мощным аппаратом. По такой схеме работали, например, советские станции «Венера». Европейский зонд «Гюйгенс» ретранслировал сигнал через американскую станцию «Кассини», которая доставила его к Титану. Работа с марсоходами Opportunity и Spirit на 85% осуществляется через орбитальный аппарат «Марс Одиссей» (остальное — напрямую через медленную ненаправленную антенну). Все это напоминает организацию беспроводных систем связи на Земле: сотовый телефон или ноутбук с поддержкой Wi-Fi связывается с базовой станцией, а уже оттуда становится доступна вся инфраструктура связи.
Последние несколько лет специалисты NASA работают над внедрением в космических проектах единого протокола передачи данных, который позволит разнотипным аппаратам свободно обмениваться между собой информацией. Унификация должна значительно повысить надежность связи при активном освоении Луны и Марса. Например, при сбое на одном орбитальном ретрансляторе находящийся на поверхности аппарат сможет оперативно подключиться к другому. Да и просто наличие на орбите нескольких коммуникационных аппаратов позволит непрерывно поддерживать быструю связь с Землей, тогда как сейчас она ограничена лишь теми периодами, когда спутник-ретранслятор виден над горизонтом. Многие специалисты склоняются к тому, чтобы новым универсальным форматом или его прототипом стал отлично зарекомендовавший себя в компьютерных сетях протокол TCP/IP, который лежит в основе Интернета. Так что, возможно, мы в скором времени станем свидетелями распространения Интернета на межпланетные просторы. Впрочем, на первых порах неавторизованные пользователи вряд ли смогут зайти на лунный или марсианский веб-сервер, чтобы скачать там свежие снимки, сделанные планетоходами, или посмотреть на окружающий ландшафт через космическую веб-камеру. Все же пропускная способность межпланетных каналов пока слишком мала для таких развлечений.
Простейшие сигналы «простейшего спутника»
Самой высокой скоростью межпланетной передачи данных может сегодня похвастаться аппарат Mars Reconnaissance Orbiter, вышедший на орбиту Марса 10 марта 2006 года. Он оснащен 100-ваттным передатчиком с трехметровой параболической антенной и может передавать информацию на скорости до 6 мегабит в секунду. Доставить к Марсу более крупный и мощный передатчик пока затруднительно. Однако есть принципиально иной подход к увеличению скорости передачи данных — использовать вместо радиоволн оптическое излучение. Длина волны лазерного излучения в десятки тысяч раз меньше, чем в радиодиапазоне. Поэтому расходимость лазерного луча получается значительно меньшей. Это позволит существенно поднять скорость передачи данных при более низком энергопотреблении. Но у лазерной связи есть и недостатки: она нуждается в более точном нацеливании передатчика, и, кроме того, на ее работоспособность существенным образом влияют погодные условия, в первую очередь облака. Поэтому межпланетная лазерная связь будет, скорее всего, поддерживаться с орбитальных аппаратов. Впервые лазерная связь в космосе была осуществлена 21 ноября 2002 года. Европейский спутник дистанционного зондирования Земли SPOT 4, находящийся на орбите высотой 832 километра, установил контакт с экспериментальным космическим аппаратом Artemis, обращающимся на высоте 31 000 километров и передал снимки земной поверхности. А недавно Лаборатория Линкольна в Массачусетсском технологическом институте (MIT) совместно с NASA приступила к разработке лазерной системы дальней космической связи. Первый тестовый коммуникационный лазер планируется отправить к Марсу в 2009 году. Ожидается, что этот 5-ваттный передатчик в период сближения планет обеспечит скорость передачи данных до 30 мегабит в секунду.

Главной проблемой космического интернета остаются задержки с доставкой информационных пакетов. Даже при обычном выходе в Интернет через спутник сигналу надо пройти 72 тысячи километров — до геостационарной орбиты и обратно, что занимает около четверти секунды. Добавьте такую же задержку при ответе, и станет ясно, что по спутниковому интернету вы вряд ли сможете поиграть в динамичные игры-шутеры. Что же касается межпланетных расстояний, то здесь стандартные протоколы Интернета, в том виде, в каком они используются в наземных линиях, вообще не годятся. В них не предусмотрена возможность получасового ожидания ответа сервера. Большинство программ просто диагностирует ошибку тайм-аута — недопустимое время ожидания, говорящее о потере связи. В NASA уже несколько лет трудятся над модернизированными протоколами связи, учитывающими специфику межпланетного интернета. Некоторые из этих протоколов уже работают на борту марсоходов Spirit и Opportunity, другие еще «доводятся» на Земле.
Сегодня коммуникационные возможности человечества ограничены Солнечной системой. На межзвездных расстояниях для связи с аппаратом класса «Вояджер» мощность наземного передатчика должна составлять миллиарды киловатт, что сравнимо с общим производством электроэнергии на Земле. Менее прожорливой межзвездную связь могут сделать антенны диаметром несколько километров. Такие масштабные конструкции, скорее всего, будут строиться и размещаться на орбите. Подобные решения кажутся фантастическими, но нереальными их назвать нельзя. Человечество уже учится создавать в космосе сборные крупногабаритные конструкции. Например, размеры строящейся на орбите Международной космической станции приближаются к сотне метров. И все же самой большой проблемой для связи на межзвездных расстояниях будет оставаться время путешествия сигнала. Даже до ближайшей к Солнцу звезды сигнал дойдет только через 4,2 года после отправки, и еще столько же времени придется ждать ответа. А пока попытки межзвездной связи остаются односторонними, в их числе нельзя не упомянуть эксперимент с почтовой связью. На обоих «Вояджерах» помещены медные позолоченные диски диаметром около 30 сантиметров, на которых записаны звуки и изображения, дающие представление о жизни на Земле. Простые диаграммы на поверхности диска символически показывают происхождение космического аппарата и дают инструкции, как проигрывать диск. Правда, межзвездная почта работает небыстро, доставка посылок в другую планетную систему займет минимум 40 тысяч лет.

Радиоастрономия

Радиоволны

Радиоволны – электромагнитные волны, частоты которых ниже 3000 ГГц, распространяющиеся в пространстве без искусственного волновода. Радиоволны в электромагнитном спектре располагаются от крайне низких частот вплоть до инфракрасного диапазона. С учетом классификации Международным союзом электросвязи радиоволн по диапазонам, к радиоволнам относят электромагнитные волны с частотами от 0,03 Гц до 3 ТГц, что соответствует длине волны от 10 миллионов километров до 0,1 миллиметра.

Анимированная схема излучения радиоволн

В широком смысле радиоволнами являются всевозможные волновые процессы электромагнитного поля в аппаратуре, в линиях передачи и, наконец, в природных условиях, в среде, разделяющей передающую и приемную антенны.

Радиоволны, являясь электромагнитными волнами, распространяются в свободном пространстве со скоростью света. Естественными источниками радиоволн являются вспышки молний и астрономические объекты. Искусственно созданные радиоволны используются для стационарной и мобильной радиосвязи, радиовещания, радиолокации, радионавигации, спутниковой связи, организации беспроводных компьютерных сетей и в множестве других приложений.

Радиоастрономия

Радиоастрономия – раздел астрономии, изучающий космические объекты с помощью исследования их электромагнитного излучения в диапазоне радиоволн. Объектами излучения являются практически все космические тела и их комплексы, а также вещество и поля, заполняющие космическое пространство (межпланетная среда, межзвездные газ и пыль, магнитные поля, космические лучи, реликтовое излучение). Метод исследования заключается в регистрации космического радиоизлучения с помощью радиотелескопов.

Радиоастрономия привела к значительному развитию астрономии, особенно с открытием нескольких новых классов объектов, включая пульсары, квазары и радиогалактики. Она позволяет увидеть то, что невозможно обнаружить с помощью оптической астрономии. Такие объекты представляют собой самые далекие и мощные физические явления во Вселенной.

Реликтовое излучение также было впервые обнаружено с помощью радиотелескопов. Кроме того, радиотелескопы использовались и для исследования ближайших к Земле астрономических объектов, включая наблюдения Солнца и солнечной активности, и радарное картографирование планет Солнечной системы.

Инструменты радиоастрономии

Радиотелескопы – инструменты для приёма собственного радиоизлучения космических объектов и исследования их дислокации, пространственной структуры, интенсивности излучения, спектра и поляризации.

Радиотелескоп занимает начальное, по диапазону частот, положение среди астрономических инструментов, исследующих электромагнитное излучение. На более высоких частотах работают телескопы теплового, видимого, ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения.

История радиотелескопов началась в 1931 году с экспериментов Карла Янски на полигоне фирмы Bell Telephone Labs. Для исследования направления прихода грозовых помех он построил вертикально поляризованную однонаправленную антенну типа полотна Брюса. Размеры конструкции составляли 30,5 метров в длину и 3,7 метров в высоту. Работа проводилась на волне 14,6 метров (20,5 МГц). Антенна соединялась с чувствительным приёмником, на выходе которого стоял самописец с большой постоянной времени.

В 1932 году Янски уже сообщал о первых результатах, полученных на своей установке. В статье сообщалось об обнаружении «постоянного шипения неизвестного происхождения», которое трудно отличить от шипения, вызываемого шумами самой аппаратуры. Направление прихода шипящих помех меняется постепенно в течение дня, делая полный оборот за 24 часа». В двух своих следующих работах 1933 года и 1935 года Карл Янски постепенно приходит к заключению, что помехи производит центральная область нашей Галактики.

Янски сознавал, что прогресс в радиоастрономии потребует антенн больших размеров с более острыми диаграммами, которые должны быть легко ориентируемы в различных направлениях. Он сам предложил конструкцию параболической антенны с зеркалом 30,5 метров в диаметре для работы на метровых волнах, однако его предложение не получило поддержки.

В 1937 году Гроут Ребер, радиоинженер из Уэтона (США), заинтересовался работой Янски и сконструировал в заднем дворе дома своих родителей антенну с параболическим рефлектором диаметром 9,5 м. Эта антенна имела меридианную монтировку, то есть была управляема лишь по углу места, а изменение положения лепестка диаграммы по прямому восхождению достигалось за счёт вращения Земли. Антенна Ребера была меньше, чем у Янски, но работала на более коротких волнах, и её диаграмма направленности была значительно острее.

Весной 1939 года Ребер обнаружил на волне 1,87 м (160 МГц) излучение с заметной концентрацией в плоскости Галактики и опубликовал некоторые результаты. Развивая аппаратуру, Ребер приступил к систематическому обзору неба и в 1944 году опубликовал первые радиокарты небосвода на волне 1,87 метров, показывающие центральные области Млечного Пути и яркие радиоисточники в созвездии Стрельца, Лебедь A, Кассиопея A, Большого Пса и Кормы.

После Второй мировой войны произошли существенные технологические улучшения в области радиоастрономии учеными в Европе, Австралии и США. Расцвет радиоастрономии привел к освоению миллиметровых и субмиллиметровых длин волн, позволяющих достичь значительно больших разрешений.

Миллиметровое и субмиллиметровое излучение открывает окно в загадочную холодную Вселенную, но эти сигналы из космоса почти целиком поглощаются водяным паром в атмосфере Земли. Поэтому телескопы, работающие в этой области астрономии, должны устанавливаться на большой высоте над уровнем моря в местах с низкой влажностью воздуха. Именно таким местом является плато Чахнантор на высоте 5000 метров, где расположена одна из самых высокогорных радиоастрономических обсерваторий на Земле.

ALMA — сверхсовременный инструмент для изучения самых холодных объектов во Вселенной. Они излучают на волнах длиной около миллиметра, между инфракрасным светом и радиоволнами, поэтому такое излучение называется миллиметровым и субмиллиметровым. ALMA состоит из 66 высокоточных антенн, расставленных на расстояния до 16 километров друг от друга. Это крупнейший из существующих глобальных наземных астрономических проектов.

Радиоастрономия подарила мировому научному сообществу важные знания о самых далеких галактиках и потенциально угрожающих Земле астероидах, о сверхмассивных черных дырах и слияниях галактик. Таким образом, сегодня благодаря современным радиообсерваториям мы можем смотреть не только в прошлое, разбирая свет, идущий к нам миллиарды лет, но и делать прогнозы на как ближайшее, так и на весьма отдаленное будущее, не теряясь в пыли космического пространства.